- distributed micro-roughness (DMR) retrasa la transición a turbulencia con una rugosidad microscópica aleatoria, en contraste con el principio de más de 80 años de que una superficie lisa reduce la resistencia
- Un equipo de Tohoku University demostró con el 1m magnetic support balance system que, al medir una superficie DMR sin interferencia de soportes, se puede reducir la resistencia hasta en un 43.6%
- El DMR experimental consistió en un patrón convexo de microesferas de vidrio de 38 a 53 micrómetros y un patrón cóncavo creado por sandblasting; su altura es apenas el 1% del espesor de la capa límite
- En el modelo con DMR, el número de Reynolds crítico aumentó de aproximadamente 1.9×10⁶ a 2.2×10⁶, y mostró un coeficiente de resistencia menor que el de una superficie lisa hasta 3.6×10⁶
- A diferencia de los hoyuelos de una pelota de golf o de las riblets inspiradas en piel de tiburón, el DMR reduce la fricción de pared más que la resistencia por presión, y es una tecnología pasiva sin dependencia de la dirección del flujo, energía ni partes móviles
Cambio en el principio de reducción de la resistencia aerodinámica
- En aviones de alta velocidad, automóviles y trenes de alta velocidad, la resistencia aerodinámica es una barrera clave para lograr mayores velocidades y menor consumo de energía
- Cuando un objeto se mueve a alta velocidad, se forma sobre su superficie una delgada capa de aire llamada capa límite, que puede estar en estado laminar ordenado o turbulento caótico
- Cuanto más tiempo se mantenga el flujo laminar, que tiene menor fricción, menor será la resistencia aerodinámica; pero a mayores velocidades, el flujo pasa a turbulento
El principio de la superficie lisa durante más de 80 años
- En ingeniería aeronáutica, durante más de 80 años se ha aceptado el principio de que para reducir la resistencia aerodinámica la superficie debe ser lisa
- Esta premisa se basa en una investigación realizada en 1940 por el científico japonés Ichiro Tani
- Tani estudió la relación entre la rugosidad superficial y la transición a turbulencia
- Consideró que la rugosidad superficial, difícil de evitar con la tecnología de fabricación de la época, obstaculizaba la obtención de flujo laminar
- En 1989, Tani reinterpretó datos experimentales obtenidos en la década de 1930 por el ingeniero de fluidos Johann Nikulase en tuberías de superficie rugosa
- Eso reveló la posibilidad de que la rugosidad no siempre promueva la transición a turbulencia ni aumente la resistencia del fluido
- El equipo de Yasuaki Kohama en Tohoku University mostró en la década de 1990 que superficies con microirregularidades fibrosas podían retrasar la transición en ciertas condiciones
Demostración experimental de la distributed micro-roughness (DMR)
- El equipo de la profesora asociada Aiko Yakino, del Institute of Fluid Science de Tohoku University, demostró que solo con distributed micro-roughness (DMR) —una rugosidad superficial tan pequeña e irregular que es difícil distinguirla a simple vista— se puede reducir la resistencia aerodinámica hasta en un 43.6%
- El DMR funciona de manera distinta a las riblets, una tecnología existente de reducción de resistencia también descrita como tratamiento de “piel de tiburón”
- Las riblets imitan las microestrías longitudinales de la piel de tiburón
- Se graban ranuras de unos 0.1 mm de ancho en la dirección del flujo de aire para alinear los vórtices cercanos a la pared en la región turbulenta
- El DMR retrasa la transición de flujo laminar a turbulento mediante microirregularidades aleatorias y diminutas
- Ambos enfoques difieren tanto en la región de flujo que afectan como en su mecanismo de funcionamiento
Medición en túnel de viento sin soportes
- Los experimentos convencionales en túnel de viento tenían la limitación de que las varillas y cables que sostienen el modelo perturbaban el flujo de aire
- Esas estructuras de soporte podían ocultar los pequeños cambios de resistencia producidos por rugosidades superficiales a microescala
- El 1m magnetic support balance system (1m-MSBS) del Institute of Fluid Science de Tohoku University reduce este problema
- Hace levitar sin contacto, mediante fuerza electromagnética, un modelo aerodinámico de aproximadamente 1.07 m de largo dentro del túnel de viento
- Elimina la interferencia en el flujo de aire alrededor del modelo al no usar soportes ni otros medios de sujeción
- El equipo midió el coeficiente de resistencia total de superficies lisas y superficies recubiertas con DMR en un rango de números de Reynolds de 0.35×10⁶ a 3.6×10⁶
- El número de Reynolds es la relación entre fuerzas inerciales y fuerzas viscosas dentro de un fluido
- Se usa como indicador clave para predecir si el flujo será laminar o turbulento
Estructura del DMR y resultados de medición
- En el experimento se usaron dos tipos de DMR
- Un patrón convexo hecho con microesferas de vidrio de 38 a 53 micrómetros de diámetro
- Un patrón cóncavo creado mediante sandblasting
- La altura del recubrimiento DMR es apenas el 1% del espesor de la capa límite, por lo que desde la perspectiva de la dinámica de fluidos se clasifica como una “superficie lisa”
- En el modelo recubierto con DMR, el número de Reynolds crítico en el que comienza la transición a turbulencia aumentó de aproximadamente 1.9×10⁶ a 2.2×10⁶
- En la región de transición, la resistencia se redujo hasta en un 43.6%
- La superficie con DMR mostró de manera consistente un coeficiente de resistencia menor que el de la superficie lisa hasta el mayor número de Reynolds medido, 3.6×10⁶
Un mecanismo que reduce la fricción de pared, no la resistencia por presión
- La resistencia aerodinámica se divide en términos generales en resistencia por presión y resistencia por fricción
- La resistencia por presión se produce por la separación del flujo de aire de la superficie en la parte posterior del objeto
- La resistencia por fricción se produce por la viscosidad del aire que fluye sobre la superficie, y disminuye cuanto más tiempo se mantenga el flujo en estado laminar
- Para distinguir la causa del efecto del DMR, el equipo utilizó large eddy simulation (LES)
- LES es una técnica de dinámica de fluidos computacional que calcula directamente los grandes remolinos turbulentos y aproxima mediante modelos los de menor escala
- El LES de este experimento utilizó una resolución de hasta 45.38 millones de wall cells
- Para verificar el flujo sobre la superficie también se usó análisis de oil flow visualization con pintura fluorescente y otros métodos
- En el análisis LES, el límite superior conservador de la resistencia por presión en un cálculo laminar sin perturbaciones artificiales se fijó en Cp≈0.00021
- Este valor coincide con el valor teórico dentro de un margen del 1%
- La reducción de resistencia observada en este estudio, ΔCD≈0.001, es aproximadamente cinco veces ese límite superior
- Incluso si se eliminara por completo la separación en la parte posterior del objeto, eso solo explicaría alrededor del 20% de la reducción observada
- Se confirmó cuantitativamente que el principal factor de reducción de resistencia del DMR no es la supresión de la separación, sino la disminución de la fricción de pared en sí misma
Diferencias frente a los hoyuelos de una pelota de golf y al tratamiento de piel de tiburón
- El principio del DMR es distinto del efecto de los hoyuelos de una pelota de golf
- Los hoyuelos vuelven el flujo de aire turbulento de forma intencional para suprimir la separación trasera y reducir la resistencia por presión
- El DMR retrasa la transición a turbulencia y reduce la fricción de pared, no la resistencia por presión
- El DMR también tiene ventajas diferentes frente al tratamiento con riblets
- Para que las riblets sean eficaces, las ranuras deben fabricarse con precisión y alinearse con la dirección del flujo de aire
- En el DMR, la rugosidad superficial es aleatoria y no depende de la dirección del flujo
- Es una tecnología pasiva que no requiere partes móviles ni electricidad
Posibles aplicaciones y próximos desafíos
- Se espera que la aplicación de DMR en aeronaves mejore la eficiencia de combustible y así reduzca los costos operativos y las emisiones de dióxido de carbono
- El equipo planea optimizar aún más la forma y la densidad de distribución del DMR, y ampliar el rango de velocidades en el que puede aplicarse
1 comentarios
Comentarios de Hacker News
Quienes han practicado vela de competición o carreras con foils saben que una superficie bajo el agua tiene la menor fricción y mejor flujo laminar cuando se lija finamente con lija de grano 1000~1500
En el aire no era así, y siempre me parecía raro que se dijera que en las alas de avión el acabado pulido era lo mejor, pero ahora parece que los perfiles alares también se benefician de una micro-rugosidad para lograr la menor fricción
Sorprende que algo tan simple no se haya sabido en un campo con tanta investigación y tanto financiamiento; quizá los únicos que no lo sabían eran los investigadores que escriben papers
Esta región está entre el flujo laminar y el turbulento; el laminar normalmente tiene 5 veces menos resistencia que el turbulento y aparece alrededor de un número de Reynolds de 500 mil a 1 millón
Una tabla de surf tiene un número de Reynolds de 10^7, así que es completamente turbulenta, y una aeronave Cessna está alrededor de 1~5x10^6
Aun así, el proceso específico y la implementación sí pueden ser más nuevos o un poco distintos de antes
Vivimos en una sociedad sensacionalista donde las mejoras iterativas y a veces hasta las copias se describen como revoluciones
Si me muestran que un 737 usa 40% menos combustible, eso sí no va a pasar, pero el proceso para fabricar la piel exterior de un avión podría mejorar un poco
Tampoco puedes volver a lijar el fuselaje cada semana, y también importa que funcione de manera estable sin mantenimiento
Según lo que recuerdo de cuando estudiaba aerodinámica de planeadores RC, el aire tiene un rango más amplio de “viscosidad”, expresado como número de Reynolds según el tamaño y la velocidad del avión
Entre una pelota de golf, un avión RC, un jet comercial y un caza, la aerodinámica ideal o las técnicas útiles (
winglets, hoyuelos) pueden variar bastanteTambién es interesante que la eficiencia de los winglets se conoce desde hace mucho, pero que se hayan aplicado a casi todos los aviones de pasajeros es algo relativamente reciente
Eran intentos de imitar la micro-rugosidad de la piel de tiburón
El paper real está aquí: https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mec...
Aunque durante mucho tiempo se aceptó que “cuanto más lisa la superficie, menor la resistencia aerodinámica”, sorprende que no siempre sea así
Siempre había escuchado que los hoyuelos de las pelotas de golf reducen la resistencia
Los hoyuelos vuelven turbulento el flujo de aire de forma intencional y reducen la resistencia de presión al suprimir la separación trasera, mientras que DMR retrasa la transición y reduce la fricción de pared en sí, no la resistencia de presión
Son mecanismos opuestos
Aun así, me da curiosidad cuánto difieren en términos relativos
Algunas mejoras sí valen el esfuerzo, pero si fuera más de 20% sería convincente, y si todos usaran pelotas de golf con hoyuelos, eso ya sería solo un experimento mental
Entonces, ¿por qué las pelotas de ping-pong no tienen hoyuelos?
Los vórtices dividen grandes bolsas de aire y reducen la resistencia
Las superficies redondeadas como una pelota obtienen beneficios de los hoyuelos, pero las superficies más rectas, como una flecha, quizá no
No lo sé con precisión, pero la velocidad también parece influir
Tal vez mi bloqueador de anuncios chocó con la función de “suscribirse para leer”, pero la forma en que falló fue graciosa
Al abrir la página aparece la imagen principal y el título, y debajo solo se ve “Subscribe to listen [9 minutes]” y una frase como “La resistencia aerodinámica es una barrera principal para los aviones de alta velocidad, los autos y los trenes de alta velocidad...”
Después de eso solo hay comentarios y enlaces a otros artículos, y no hay ninguna señal de que exista más cuerpo del artículo además de la grabación de audio
Esto podría explicar parte de los comentarios de gente que “no leyó el artículo”. Claro, eso siempre pasa de todos modos
Ojalá hubiera algo como un enlace de archivo
Últimamente algunos sitios web se han puesto un poco agresivos
Esta parte parece un error, o una historia larga por sí sola
Dice que en 1940 el científico japonés Ichiro Tani mostró la relación entre la rugosidad de la superficie y la transición a turbulencia, y sostuvo que la rugosidad superficial, inevitable con la tecnología de fabricación de la época, impedía lograr flujo laminar
Pero si en 1989 Tani reinterpretó los datos de experimentos de tuberías de superficie rugosa del fluidodinamicista de los años 30 Johann Nikulase y propuso que “la rugosidad no necesariamente solo promueve la transición a turbulencia y aumenta la resistencia del fluido”, entonces habría estado tratando el mismo problema durante 49 años
De hecho, murió en 1990, así que sí es posible
Si la forma de aplicación es tan simple como el sandblasting, parece que sería bastante fácil adaptarlo también a aeronaves existentes.
Si funciona como dicen, en la práctica estaría cerca de ser una mejora gratis en eficiencia de combustible aplicable en el mismo día.
Aun así, no he visto la cifra real de mejora neta.
El porcentaje que menciona el artículo está limitado a la “zona de transición”, y aunque dicen que el coeficiente mejora en general, si teóricamente la mejora sobre todo el perfil aerodinámico se acerca a 0, podría ser casi irrelevante.
En condiciones reales, parece mucho más probable que se obstruya o se desgaste más rápido, así que también se ve muy difícil mantener durante cierto tiempo un deterioro fino de este nivel.
Para modificar una aeronave específica, probablemente haya muchas barreras regulatorias antes de llegar a pruebas o certificación.
Eso aplica especialmente a aeronaves certificadas, y hasta en el mundo de las aeronaves experimentales podría haber resistencia a ponerle sandblasting al ala de alguien.
Si esta tecnología todavía no se ha intentado, creo que es más probable que primero se experimente en algo como Formula 1.
Una empresa afirma ahorros de combustible de hasta 4%: https://mako.aero/insights/delta-partners-with-mako-to-test-...
Ese solo recubrimiento puede marcar la diferencia entre soportar variaciones cotidianas de temperatura durante 10,000 vuelos o apenas 1,000, así que hay que diseñarlo desde el principio.
Las alas de los aviones sufren erosión por alta velocidad y por partículas en el aire, es decir, polvo, hielo, ceniza volcánica y lluvia/agua.
Esa erosión ya es un problema que requiere bastante mitigación, así que volver la superficie rugosa a propósito podría generar resultados inesperados o convertirse en un problema mayor.
Aun así, creo que esta técnica vale la pena probarla.
Es un hallazgo interesante, pero no invierte el principio fundamental.
En clases de dinámica de fluidos aprendí que existe el arrastre de forma, o arrastre por presión como lo llama el artículo, y el arrastre por fricción superficial.
Ambos entran en conflicto según el número de Reynolds.
Si se mantiene el flujo en régimen laminar, baja el arrastre por fricción superficial y parece ventajosa una superficie lisa, pero si se logra mantener adherido el flujo por más tiempo, se puede reducir el arrastre de forma por medios como inducir turbulencia o inyectar aire, aunque a cambio aumenta la fricción superficial por la turbulencia.
Este estudio se lee como si hubiera encontrado una buena forma de mantener el flujo laminar mientras retrasa la separación del flujo, pero el principio básico no ha cambiado.
“Si es liso, hay menos arrastre” nunca fue una regla; solo aplica en ciertas escalas.
https://archive.ph/DbcqV
https://archive.is/20260524231039/https://www.wired.com/stor...
Es bastante genial que un sistema de balanza autoportante pueda hacer levitar sin contacto un modelo aerodinámico dentro de un túnel de viento mediante fuerza electromagnética.
Supongo que la variación en la intensidad del campo magnético necesaria para mantener suspendido el objeto de prueba también serviría como indicador de los cambios en las fuerzas que actúan sobre la estructura.